Parameter Gasifikasi

Parameter gasifikasi dibedakan menjadi parameter operasi dan parameter unjuk kerja.

Parameter operasi adalah parameter yang digunakan selama proses gasifikasi, seperti medium gasifikasi, equivalence ratio, temperatur gasifikasi, laju konsumsi feedstock, dan laju propagasi nyala. Sedangkan parameter unjuk kerja adalah parameter yang digunakan untuk asesmen unjuk kerja gasifier, seperti kualitas producer gas (komposisi, nilai kalor, kandungan tar) serta cold gas efficiency gasifier.

3.4.1. Medium gasifikasi

Udara adalah medium gasifikasi yang paling umum digunakan dalam proses gasifikasi.

Selain udara, untuk meningkatkan nilai kalor producer gas, medium gasifikasi lain yang dapat digunakan adalah uap air (steam) dan oksigen. Medium gasifikasi dapat mempengaruhi nilai kalor per unit volume producer gas. Karena udara mengandung nitrogen yang bersifat inert, maka akan terdapat nitrogen di dalam producer gas jika menggunakan medium gasifikasi udara. Nilai kalor producer gas paling tinggi terjadi jika menggunakan medium gasifikasi oksigen, sedangkan yang terendah jika medium gasifikasinya adalah udara seperti terlihat pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3. Pengaruh medium gasifikasi (Basu, 2010) Media gasifikasi Nilai kalor (MJ/Nm³)

Oksigen 12-28

Steam 10-18

Udara 4-7

3.4.2. Equivalence ratio

Perbandingan antara air-fuel ratio aktual dengan air-fuel ratio stoikiometri disebut dengan equivalence ratio (ø). Equivalence ratio efektif untuk gasifikasi biomassa adalah 0,2-0,4 seperti terlihat dalam Gambar 3.3 (Kaupp & Goss,1981).

Gambar 3.3. Equivalence ratio efektif gasifikasi biomassa (Kaupp & Goss, 1981).

Equivalence ratio berhubungan dengan laju aliran massa udara yang dipasok ke gasifier selama gasifikasi berlangsung. Laju udara aktual yang diperlukan dalam gasifikasi didasarkan pada air-fuel ratio stoikiometri pembakaran [A/F]st dan equivalence ratio (ø). Air-fuel ratio stoikiometri adalah perbandingan antara laju massa udara dengan laju massa feedstock untuk pembakaran stoikiometri. Air-fuel ratio stoikiometri dapat dihitung dengan Pers. (3.34)

[𝐴 𝐹⁄ ]_𝑠𝑡 = (𝑥 +^𝑦

4−^𝑧

2) × (^{𝑀𝑊𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎}

𝑀𝑊_𝑓 ) (3.34)

dimana x, y, dan z adalah komposisi C, H, dan O feedstock yang didapat dari uji ultimat. Hasil uji ultimat dan uji proksimat sekam padi disajikan dalam Tabel 3.4 (Susastriawan et al., 2017a, 2019b). Sedangkan MWudara dan MWf masing masing adalah berat molekul udara dan berat molekul feedstock. Sedangkan MWudara dan MWf dihitung dengan Pers. (3.35) dan (3.36)

MWudara = MW O2 + 3,76 MW N2 (3.35)

       

^{12x 1y 14z 16k}

MW f    (3.36)

Air-fuel ratio aktual [A/F]act untuk gasifikasi tergantung dari equivalence ratio (ø) dan Air-fuel ratio stoikiometri. Air-fuel ratio aktual dapat dihitung dengan Pers. (3.37) dari Reed & Das (1988) serta equivalence ratio dengan Pers. (3.38) dari Sheth & Babu (2009). Pada gasifikasi equivalence ratio didefinisikan berbeda dengan equivalence ratio pembakaran. Dalam pembakaran equivalence ratio dibawah 1 adalah campuran dengan udara berlebih (excess air),

sedangkan pada gasifikasi equivalence ratio dibawah 1 adalah campuran dengan udara minim (deficent air)

[𝐴 𝐹⁄ ]_𝑎𝑐𝑡 = 𝜙 × [𝐴 𝐹⁄ ]_𝑠𝑡 (3.37)

𝜙 =^{[𝐴 𝐹⁄ ]𝑎𝑐𝑡}

[𝐴 𝐹⁄ ]𝑠𝑡 (3.38)

Tabel 3.4. Properti proksimat dan ultimat sekam padi (Susastriawan et al., 2018a, 2019b) Proksimat Sekam Padi (wt%, adb) Standar ASTM

FC (Fixed carbon) 12.83 D 3172

VM (Volatile matter) 56.20 D 3175

Ash 21.17 D 3174

Moisture 9.80 D 3173

Ultimat

Karbon 34.05 D 3173

Hidrogen 5.35 D 3173

Oksigen 39.14 D 3176

Nitrogen 0.17 D 3173

Sulphur 0.12 D 4239

HHV (MJ/kg) 13.39 D 5865

LHV (MJ/kg) 12.08 -

Sedangkan laju aliran massa udara (ma



) dan laju aliran volumetrik udara (Q_a



) dihitung dengan Pers. (3.39) dan Pers. (3.40)

𝑚^•_𝑎 = [𝐴 𝐹⁄ ]_𝑎𝑐𝑡 ×^𝑚𝑓

𝑡 (3.39)

𝑄̇_𝑎 =^𝑚̇𝑎

𝜌𝑎 (3.40)

dimana mf adalah massa biomassa, t adalah waktu gasifikasi, ρa adalah massa jenis udara.

3.4.3. Temperatur gasifikasi

Temperatur gasifikasi dipengaruhi oleh equivalence ratio. Kenaikan equivalence ratio dapat meningkatkan proses oksidasi sehingga kalor yang dilepaskan meningkat dan temperatur gasifikasi naik (Guo et al., 2014). Pada temperatur tinggi, proses tar cracking berlangsung lebih baik, volume dan nilai kalor producer gas meningkat (Liu et al., 2012). Persentase gas mampu bakar H2 dan CO dalam producer gas meningkat dengan kenaikan temperatur (Wang et al., 2015) sehingga nilai kalor producer gas bertambah.

Gambar 3.4 adalah profil temperatur gasifikasi biomassa di dalam gasifier tipe downdraft (Basu, 2010). Kalor yang dihasilkan dari oksidasi mengalir ke bawah menuju zona reduksi sehingga temperatur di zona reduksi relatif tinggi. Kalor tersebut digunakan untuk proses endotermik di zona reduksi dan juga untuk tar cracking. Producer gas yang dihasilkan dari gasifier tipe downdraft memiliki kadar tar yang rendah.

Gambar 3.4. Profil temperatur aksial gasifier tipe downdraft (Basu, 2010)

Gambar 3.5 adalah profil temperatur aksial downdraft gasifier untuk gasifikasi sekam padi dengan equivalence ratio 0,20 (Susastriawan, 2018). Profil temperatur aksial gasifikasi sekam padi hampir sama dengan profil temperatur aksial gasifikasi biomass oleh Basu (2010).

Dari gambar 3.5, didapatkan pula bahwa jarak tuyer-grate (TG) mempengaruhi temperatur maksimal gasifikasi. Temperatur maksimal sebesar 943 °C terjadi pada TG 400 mm.

Gambar 3.5. Profil temperatur gasifikasi sekam padi (Susastriawan, 2018b)

3.4.4. Laju konsumsi feedstock

Laju konsumsi feedstock berhubungan dengan laju aliran medium gasifikasi, ukuran dan kandungan air feedstock. Laju konsumsi feedstock berbanding lurus dengan laju aliran udara dan berbanding terbalik dengan ukuran feedstock (Tinaut et al., 2008). Laju konsumsi biomassa meningkat dengan peningkatan laju aliran udara. Laju oksidasi berlangsung cepat dengan kenaikan laju udara. Tersedia lebih banyak oksigen dalam udara untuk proses oksidasi dengan meningkatnya laju aliran udara.

Sedangkan laju konsumsi feedstock menurun dengan bertambahnya ukuran feedstock.

Proses oksidasi berlangsung lebih lambat pada feedstock yang lebih besar sehingga konsumsi feedstock lambat. Sebaliknya semakin kecil ukuran feedstock, laju konsumsi feedstock juga meningkat. Hal ini disebabkan karena permukaan kontak per unit volume lebih luas sehingga proses perpindahan kalor berlangsung lebih cepat yang dapat mempercepat proses oksidasi.

Kandungan air feedstock dapat mempengaruhi laju konsumsi feedstock selama gasifikasi. Kandungan air yang tinggi menurunkan laju konsumsi feedstock. Feedstock dengan kandungan air tinggi memerlukan lebih banyak kalor untuk proses pengeringan, sehingga dapat memperlambat proses pirolis dan konsumsi feedstock secara keseluruhan selama gasifikasi (Sheth & Babu, 2009).

Laju konsumsi feedstock selama proses gasifikasi dapat dihitung dengan Pers.(3.41) 𝐹𝐶𝑅 =⁻⁽

1

4𝜋𝐷²∆ℎ)𝜌𝑓

𝑡 (3.41)

dimana FCR adalah laju konsumsi feedstock, D adalah diameter reaktor, Δh adalah penurunan feedstock dalam gasifier, ρf adalah massa jenis feedstock, dan t adalah interval waktu pengukuran.

3.4.5. Laju propagasi

Sama halnya dengan proses pembakaran, di dalam gasifikasi juga dikenal istilah propagasi. Laju propagasi adalah kecepatan rambat nyala gasifikasi (flame profagation rate) dan laju penurunan feedstock (bed propagation rate) di dalam gasifier. Berdasarkan aliran relatif antara medium gasifikasi dengan nyala gasifikasi, laju propagasi gasifikasi dapat dibedakan menjadi forward propagation dan reverse propagation (Mahapatra & Dasappa 2014) dan (Blinderman et al., 2008). Gambar 3.6 menunjukkan gambar skema forward propagation dan reverse propagation. Pada forward propagation, nyala gasifikasi (burning front) dengan medium gasifikasi (udara) sama-sama bergerak menuju ke bawah. Inisiasi gasifikasi dilakukan di bagian atas gasifier dimana di lokasi tersebut juga dipasok udara

gasifikasi. Sedangkan pada reverse propagation, nyala gasifikasi merambat berlawanan arah dengan udara gasifikasi. Inisiasi gasifikasi di bagian bawah gasifier sedangkan udara dipasok di bagian atas gasifier. Udara mengalir ke bawah sedangkan nyala merambat ke atas menuju ke sumber udara.

Gambar 3.6. Forward propagation dan reverse propagation pada downdraft gasifier (Susastriawan et al., 2019c)

Flame propagation rate dan bed propagation rate dapat dihitung menggunakan Pers.(3.42) dan Pers. (3.43) (Mahapatra & Dasappa, 2014, Mahapatra et al., 2016, Gnanendra

& Rajan, 2016) 𝐹𝑃𝑅 = ^𝑠𝑇

𝑡_{𝑇,𝑟𝑒𝑓} (3.42)

𝐵𝑃𝑅 = ^∆ℎ

𝑡 (3.43)

dimana FPR dan BPR masing masing adalah flame dan bed propagation rate (mm/s), sT adalah jarak dua, termokopel (mm), tT,ref adalah waktu untuk menacapai temperatur referensi (s), Δh adalah penurunan feedstock, dan t adalah total waktu gasifikasi (s)

3.4.6. Nilai kalor producer gas

Higher heating value (HHV) producer gas dapat dicari dari persentase gas mampu bakar CO, H2, dan CH4 dalam producer gas. HHV dari producer gas dapat dihitung dengan Pers.(3.44)

𝐻𝐻𝑉_𝑔 = ^{[(𝑥1.𝐻𝐻𝑉)𝐶𝑂+(𝑥3.𝐻𝐻𝑉)𝐻2+(𝑥4.𝐻𝐻𝑉)𝐶𝐻4]}

100 (3.44)

dimana x1, x3, dan x4 adalah persentase volume CO, H2, dan CH4 dalam producer gas yang didapat dari hasil uji Gas Cromatograph. Sedangkan HHV CO, H2, CH4 adalah higher heating value CO, H2, CH4. Tabel 3.5 menyajikan HHV CO, H2, dan CH4 pada kondisi Normal Temperature & Pressure (NTP).

Tabel 3.5. HHV CO, H2, dan CH4 Senyawa HHV (MJ/Nm³)

CO 12,71

H2 12,78

CH4 39,76

3.4.7. Cold gas efficiency

Cold gas efficiency (CGE) adalah ratio antara energi producer gas dengan energi feedstock. Prosedur untuk menghitung CGE adalah: (1) menghitung produksi producer gas per kilogram feedstock, (2) menghitung massa jenis producer gas, (3) menghitung energi producer gas per kilogram feedstock, dan (4) menghitung CGE. Pers.(3.45) – Pers. (3.50) adalah persamaan-persamaan yang digunakan dalam perhitungan CGE (Susastriawan, 2009, Prasad et al., 2014, 2015).

(1). Produksi producer gas (kg producer gas per kg feedstock) 𝑚_𝑔 =^{∑ 𝑥𝑖𝑀𝑊𝑖}

𝑛 (3.45)

dimana

∑ 𝑥_𝑖𝑀𝑊_𝑖 = ^{[(𝑥1𝑀𝑊)𝐶𝑂+(𝑥2.𝑀𝑊)𝐶𝑂2+(𝑥3.𝑀𝑊)𝐻2+(𝑥2.𝑀𝑊)𝐶𝐻4+(𝑥2.𝑀𝑊)𝑁2]}

100 (3.46)

dan n adalah jumlah molar feedstock dari reaksi gasifikasi 𝑛(𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧𝑁𝑘) + 𝑚∅(𝑂₂+ 3,76𝑁₂) → 𝑥₁𝐻₂

+𝑥₂𝐶𝑂 + 𝑥₃𝐶𝑂₂+ 𝑥₄𝐶𝐻₄+ 𝑥₅𝑁₂ (3.47)

(2). Massa jenis producer gas

𝜌_𝑔 =^{[(𝑥1𝜌)𝐶𝑂+(𝑥2.𝜌)𝐶𝑂2+(𝑥3.𝜌)𝐻2+(𝑥2.𝜌)𝐶𝐻4+(𝑥2.𝜌)𝑁2]}

100 (3.48)

dimana pada NTP: ρ CO = 1,165 kg/Nm³, ρ H2 = 0,089 kg/Nm³ ρ CH4 = 0,668 kg/Nm³, ρ CO2 = 1,842 kg/Nm³, dan ρ N2 = 1,165 kg/Nm³

(3). Energi producer gas per kg feedstock 𝐸_𝑔 =^{𝑚𝑔×𝐻𝐻𝑉𝑔}

𝜌_𝑔 (3.49)

(4). Cold gas efficiency 𝐶𝐺𝐸 = ^𝐸𝑔

𝐻𝐻𝑉_𝑔 (3.50)

3.4.8. Kandungan tar

Unjuk kerja gasifier ditentukan pula dari massa tar dalam producer gas. Massa tar dalam producer gas harus memenuhi kriteria yang diisyaratkan pada masing-masing aplikasi. Seperti misalnya jika producer gas digunakan sebagai bahan bakar Internal Combustion Engine, maka kandungan tar dalam producer gas tidak boleh lebih dari 100 mg/Nm³ (Milne et al., 1998)

.

Sedangkan jika digunakan untuk bahan bakar burner, kandungan tar dalam producer gas tidak ada batas maksimumnya. Selain sebagai bahan bakar, producer gas juga dapat digunakan sebagai bahan baku dalam proses kimia sintesa methanol maupun sintesa Fisher Tropsch. Tabel 3.6 menampilkan kriteria kandungan tar producer gas untuk bermacam-macam aplikasi (Rios et al., 2018).

Tabel 3.6. Kandungan tar setiap aplikasi (Rios et al., 2018).

Aplikasi Tar (mg/Nm³)

Kompor Tidak ada batas maksimal

Motor bakar < 100

Turbin gas < 5

Kompresor 50 – 500

Fuel cell < 1

Sintesa methanol < 0,1 Sintesa Fisher Tropsch < 1 μL/L